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驚くべき鮮明さで明らかにされた高性能新規太陽電池素材の謎

ペロブスカイト材料の高品質領域に入る電子の芸術的表現。 出典:Ella Maru StudiosのAlex T。

ケンブリッジ大学の研究者らは、ペロブスカイト材料が構造上の欠陥に非常に耐性があるように見える理由を初めて視覚化するために、一連の相関マルチモード顕微鏡法を使用しました。 彼らの研究は今日 自然ナノ技術


太陽電池パネルを製造するために最も一般的に使用される材料は結晶シリコンであるが、効率的なエネルギー変換を達成するために必要な高度に整列したウェハ構造を作るために、エネルギー集約的で時間のかかる製造プロセスが必要である。

過去10年間、ペロブスカイトの材料が有望な選択肢として登場しました。

これを作るのに使用される鉛塩は、結晶質シリコンよりもはるかに豊富で、生産コストが安く、単に印刷して材料フィルムを作る液体インクで調製することができる。 また、エネルギー効率の高い発光ダイオード(LED)やX線検出器など、他の光電子アプリケーションへの大きな可能性も示しています。

ペロブスカイトの印象的なパフォーマンスは驚くべきことです。 優れた半導体の一般的なモデルは非常に秩序ある構造ですが、ペロブスカイトに結合されたさまざまな化学元素の配置ははるかに「より汚れた」風景を作り出します。

この不均一性は材料に欠陥を引き起こし、ナノスケールの「トラップ」を引き起こし、デバイスの太陽電池性能を低下させる。 しかし、これらの欠陥があるにもかかわらず、ペロブスカイト材料は依然としてシリコン代替品に匹敵する効率レベルを示している。

実際、グループの初期の研究は、無秩序な構造が実際にペロブスカイト光電子工学の性能を高める可能性があることを示しており、彼らの最新の研究はその理由を説明しようとしています。

一連の新しい顕微鏡技術を組み合わせたこのグループは、これらの競合要素間の複雑な相互作用を示し、最終的に最も重要なことを示すこれらの材料のナノスケールの化学、構造、および光電子環境の完全な図を提供します。

「私たちが見るのは、2つの形態の障害が同時に起こるということです」とPh.D.は説明します。 学生Kyle Frohnaは、「パフォーマンスを低下させる欠陥に関連する電子障害、およびそれを改善すると思われる空間化学的障害。

「そして私たちが発見したのは、化学的無秩序(この場合は「良い」無秩序)がそうでなければ閉じ込められる可能性のあるこのトラップから電荷キャリアを押し出すことによって、欠陥から「悪い」無秩序を軽減することです。」

ケンブリッジのCavendish研究所、DidcotのDiamond Light Source synchrotron施設、日本の沖縄科学技術研究所と協力して、研究者たちはペロブスカイトフィルムの同じ領域を見るために様々な顕微鏡技術を使用しています。 その後、これらすべての方法の結果を比較することで、これらの有望な新素材のナノスケールレベルで何が起こっているのかを完全に説明できます。

「このアイデアは、私たちがマルチモード顕微鏡(multimodal microscopy)と呼ばれることをすることです。何かを言うのはとても素敵な方法です。 「このような実験は時間がかかり、リソースを多用しますが、引き出すことができる情報の面から得られる報酬は素晴らしいです。」

この発見により、グループや現場の他の人々は、効率を最大化するためにペロブスカイト太陽電池がどのように作られるかをさらに改善することができます。

「長い間、人々はフォールトトレランスという言葉を周りに投げかけてきましたが、これらの材料でフォールトトレランスが実際に何を意味するのかを理解するために正しく視覚化した人は今回が初めてです。

「これら2つの競合障害が相互に作用していることを知っているので、最も有益な方法で他の障害の影響を軽減するために1つを効果的に調整する方法について考えることができます.」

ケンブリッジ化学科の王立工学研究研究者であるミゲル・アナヤは、「実験アプローチの斬新さという点で、我々は相関マルチモード顕微鏡戦略に従ったが、各スタンドアロン技術はそれ自体最先端である」と述べた。 工学とバイオテクノロジー

「このような材料を欠陥耐性と呼ぶことができる理由を視覚化して説明しました。この方法論により、ナノスケールでこれを最適化し、最終的にターゲットアプリケーションに対してより良いパフォーマンスを発揮する新しい経路が可能になりました。他のタイプのペロブスカイトも見ることができます。

「もっと重要なのは、私たちがこの作業で開発した一連の取得ツールが他の光電子材料を研究するように拡張できることです。

ケンブリッジ化学工学とバイオテクノロジーのエネルギー助教授Sam Stranksは、「このような視覚化により、良い半導体、悪い半導体、醜い半導体のナノスケール環境をよりよく理解することができます」と語った。

「これらの結果は、現場でのこれらの材料の経験的最適化がどのようにこれらの混合構成ペロブスカイトを高性能に導いたかを示しています。のための青写真も明らかになりました。」


金属ハロゲン化物ペロブスカイト半導体は、太陽電池、LEDへのシリコン対応物と競合することができます。


追加情報:
Miguel Anaya、ナノスケールの化学的不均一性は、合金ペロブスカイト太陽電池の光電子反応を支配します。 自然ナノ技術 (2021). DOI:10.1038 / s41565-021-01019-7www.nature.com/articles/s41565-021-01019-7

ケンブリッジ大学提供

召喚:驚くべき鮮明さで明らかにされた高性能新規太陽電池材料の謎(2021年、11月22日)月22日検索

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